JP4509579B2 - 下水処理場の曝気風量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、好気槽を有する生物反応槽により水処理を行う下水処理場の曝気風量制御装置に関する。

従来の下水処理場では、活性汚泥法と呼ばれるプロセスにより主に有機物を除去していた。しかし、近年、湖沼、湾などの閉鎖性水域で富栄養化が進行してきていることから、有機物のみならず富栄養化の原因物質である窒素、リンをも除去する下水高度処理の要求が増大してきている。

図９は本発明を適用する下水処理場の１つの系列の処理系統図である。同図において、大元の水配管より送り込まれた下水が流入ポンプ１によって１つの系列に圧送される。系列内の下水は最初沈殿地２に流入するようになっており、その流出側が水配管５１によって嫌気槽１０の流入側に結合されている。この嫌気槽１０には無酸素槽１１及び好気槽１２が順次に連結され、さらに、好気槽１２の流出側が水配管５２によって最終沈殿池１３の流入側に結合されており、この最終沈殿地１３の流出側には処理水を送り出す水配管６０が結合されている。

また、好気槽１２の循環水取出口に水配管５３が結合され、この水配管５３を介して、循環ポンプ１４が無酸素槽１１に循環水を供給するようになっている。最終沈殿地１３に水配管５４及び水配管５５が結合され、このうち、水配管５４を介して、返送ポンプ１５が最終沈殿地１３の処理水の一部を嫌気槽１０に返送し、水配管５５を介して、余剰ポンプ１７が汚泥を排出するようになっている。さらに、最初沈殿地２に初沈引抜ポンプ１８が結合され、この初沈引抜ポンプ１８は最初沈殿地２に沈殿した汚泥を、水配管５８を介して、余剰ポンプ１７からの汚泥と一緒にして排出する。この系列内の好気槽１２には、曝気装置９が設けられている。

図９に示した汚水処理プロセスは、有機物、窒素及びリンの同時除去を行う代表的なプロセスであり、嫌気−無酸素−好気プロセス又はＡ _２ ０（Anaerobic-Anoxic-Oxic）プロセスと呼ばれている。以下、簡単にこのプロセスにおける窒素・リン除去のメカニズムを説明する。

（ａ）窒素の除去
好気槽１２において、曝気装置９により供給される酸素を利用して、硝化菌はアンモニア性窒素（NH₄-N）を亜硝酸性窒素（NO₂-N）、硝酸性窒素（NO₃-N）に酸化する。循環ポンプ１４により無酸素槽１１に送り込まれた亜硝酸性窒素（NO₂-N）、硝酸性窒素（NO₃-N）は、無酸素条件下で流入下水中の有機物を栄養源とする脱窒細菌による硝酸性呼吸あるいは亜硝酸性呼吸により、窒素ガス（N₂）へと還元され、系外に除去される。

窒素除去反応を化学式で表すと次のようになる。
硝化反応は、
NH₄ ⁺+2O₂→NO₂ ^-+2H₂O …（１）
NO₂ ^-+1/2O₂→NO₃ ^- …（２）
脱窒反応として、有機物としてメタノールが使われた場合の反応を記すと、
6NO₃ ^-+5CH₃OH→3N₂+5CO₂+7H₂O+6OH^- …（３）
となる。

（ｂ）リンの除去
曝気槽の前段に配置された嫌気槽１０で、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、酢酸などの有機酸を体内に蓄積し、リン酸（PO₄）を放出する。この過剰放出したリン酸態のリンを曝気槽の後段に配置された好気槽１２でリン蓄積細菌のリン過剰摂取作用を利用して、嫌気槽１０で放出された以上のリン酸態のリンを活性汚泥に吸収させることによりリンを除去する。

すなわち、この反応を進行させるためには、酢酸などの有機酸が必要となる。雨水流入時には有機酸濃度が薄くなり、リン蓄積菌が利用できる有機物が減少することから、リンの吐き出し反応が十分に行われなくなるため、後に続くリンの過剰摂取反応も不十分となる場合があり、生物学的なリンの除去のみでは目標となる水質が得られない場合がある。

そこで、これを補填するためにポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄などの凝集剤を貯える凝集剤貯留槽を備え、これら凝集剤を注入してリン酸アルミニウムやリン酸鉄の形でリン成分を沈殿させることによりリンを除去する方法もある。その反応式を以下に示す。
Al³⁺+3PO₄ ^-→Al(PO₄)₃ …（４）

下水処理場では各系列の返送ポンプ、循環ポンプ、余剰汚泥引抜ポンプ、曝気装置を適正に運転し、返送流量、循環流量、余剰汚泥引抜量、曝気風量を適正な値に管理することにより、窒素、リン及び有機物がそれぞれの放流水質の規制値を超えないように運転する必要がある。このうち曝気装置9は微生物による窒素、リン及び有機物除去の際に必要となる溶存酸素を供給するもので、下水処理場の運転コストの４０〜６０％を占めるものである。

この曝気装置9からの溶存酸素の供給量が少なすぎれば、水質は悪化する。一方、溶存酸素の供給量が多くなると運転コストがかかる。すなわち、この曝気装置９を適正に制御することにより、水質の維持及び運転コストの削減を達成することが可能となる。

一方、高度処理を導入した下水処理場においては、放流水のアンモニア性窒素濃度（以下、単にアンモニア濃度と略記する）はできるだけゼロとするような完全硝化が求められている。これは、（１）式〜（３）式に示すような脱窒反応を促進させるためには、好気槽でできるだけ、アンモニアを硝酸に変換させておくことが必要となること、及び、下水処理場の規制値の一つとしてＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）があるが、アンモニアが残存しているとＢＯＤが高くなってしまうためである。

図１０はこの種の従来の下水処理場の曝気風量制御装置の構成を、図９に示す下水処理系統と併せて示したブロック図である。これは、下水処理系列の好気槽１２に設置された溶存酸素濃度計２５の計測値を、設定手段１０１によって設定された溶存酸素濃度（以下、溶存酸素をＤＯとも言う）制御目標値３１になるように曝気風量コントローラ２０１を構成するＤＯコントローラ３０により、曝気装置９を制御する構成になっている（特許文献１参照。）。

図１１はこの種の従来のもう１つの下水処理場の曝気風量制御装置の構成を、図９に示す下水処理系統と併せて示したブロック図である。これは下水処理系列の好気槽１２に設置されたアンモニア計２６の計測値を、設定手段１０２によって設定されたアンモニア制御目標値４１になるように曝気風量コントローラ２０２を構成するアンモニアコントローラ４０により、曝気装置９を制御する構成になっている（特許文献２参照。）。
特開平１１−２４４８９４号公報 特開２００３−１３６０８６号公報

図１０に示した曝気風量制御装置は図１１に示すアンモニア計２６と比較して安価で維持管理が容易な溶存酸素濃度計２５を利用しており、初期コストが安く、維持管理が容易である。その反面、溶存酸素という間接的な指標に基づいて曝気量を制御しているため、放流水質を常に維持するためには高い溶存酸素目標値で運転する必要があり、曝気にかかる運転コストが嵩むという問題があった。

一方、図１１に示した曝気風量制御装置は、図１０に示した溶存酸素濃度計２５と比較して、初期コストが高く、センサの維持管理が大変である。その反面、通常、有機物の除去、リンの吸収速度に比べ、硝化菌の硝化速度が遅いため、硝化に必要な酸素を供給すれば、有機物、リン及び窒素除去に必要な風量を確保できるという考えに基づき、アンモニア濃度を指標として、曝気風量の制御を行う装置であり、放流水質を維持しつつ、曝気にかかる運転コストを削減する運転が可能となる。

しかしながら、図１１に示した装置においては、雨天時など流入水の全窒素濃度が著しく低下し、１０ｍｇ／Ｌ以下まで低下した場合においては、必然的に硝化に必要な曝気風量が少なくなることから、好気槽１２のアンモニアのみを指標とした制御をするだけでは、好気槽１２の末端部での溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ程度まで低下する場合があり、その後、流入水質の濃度が上昇した場合に処理を悪化させる場合があることが分かった。

また、図１１に示した装置におけるアンモニア計２６は水質監視の観点から好気槽１２の出口付近に設置されることが多かった。好気槽１２の出口部分では、アンモニアの制御目標値をゼロに近い値にする必要があるが、アンモニア計２６の測定精度が低濃度ではあまりよくないという問題があり、さらに、アンモニア濃度と曝気風量の関係が非線形の関係にあり、濃度が低いほど、除去される単位アンモニア当たりの必要風量が多くなることから、センサ誤差に対する曝気風量の感度が大きく、制御が困難になるという問題もあった。

実際のところ、好気槽１２内のアンモニアは後段に行くほど処理が進むことから、入口から出口に向かって濃度分布を持っている。本来であれば、放流水に近い好気槽の出口付近にアンモニア計を設置することが望ましいが、上述の問題により制御性能がよくないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、常に良好な水質を維持しつつ、曝気風量を削減することのできる下水処理場の曝気風量制御装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、好気槽の放流水のアンモニア性窒素濃度目標値が設定するアンモニア制御目標設定手段と、計測されたアンモニア性窒素濃度を設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算するアンモニアコントローラと、を備え、アンモニア計を好気槽の総長さに対して、出口部分から上流方向に２５〜３５％遡った位置に設置し、かつ、アンモニア性窒素濃度の制御目標値を１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌに設定した、ことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って前記好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、前記好気槽内の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計と、前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度目標値を設定するアンモニア制御目標設定手段と、前記好気槽内の溶存酸素濃度の下限値を設定する溶存酸素濃度下限設定手段と、計測されたアンモニア性窒素濃度が設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算するアンモニアコントローラ、及び、計測された溶存酸素濃度が設定された溶存酸素濃度下限値以下になった場合、前記の曝気風量目標値を補正する溶存酸素下限コントローラを含む曝気風量コントローラと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の下水処理場の曝気風量制御装置において、曝気風量コントローラは、前記アンモニアコントローラと計測された溶存酸素濃度が設定された溶存酸素濃度の下限値に近づくよう曝気風量目標値を演算する溶存酸素コントローラとを含み、計測された溶存酸素濃度とアンモニア性窒素濃度の値と設定された溶存酸素濃度下限値、アンモニア性窒素濃度目標値に基づいて、アンモニアコントローラと溶存酸素濃度コントローラの切替を行う、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、前記好気槽内の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計と、前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度目標値を設定するアンモニア制御目標設定手段と、前記好気槽内の溶存酸素濃度の下限値を設定する溶存酸素濃度下限設定手段と、計測されたアンモニア性窒素濃度が設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう溶存酸素濃度目標値を演算するアンモニアコントローラ、及び、計測された溶存酸素濃度が演算された溶存酸素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算すると共に、アンモニアコントローラにより演算された溶存酸素濃度目標値が設定された溶存酸素濃度の下限値以下となった場合は、溶存酸素濃度の下限値を溶存酸素濃度目標値として曝気風量目標値を演算する溶存酸素コントローラを含む曝気風量コントローラと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の下水処理場の曝気風量制御装置において、アンモニア計を好気槽の水の流れ方向で見て、終端から２５〜３５％上流に遡った位置に設置し、かつ、アンモニア性窒素濃度の制御目標値を１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌに設定した、ことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の下水処理場の曝気風量制御装置において、生物反応槽の流入水量を計測する流入流量計と、流入水の全窒素濃度を計測する流入全窒素計と、を備え、アンモニアコントローラは、それぞれ計測された流入水量及び全窒素濃度をも加味して曝気風量目標値を演算する、ことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の下水処理場の曝気風量制御装置において、流入全窒素計の異常を判断する異常判断部を備え、異常と判断された場合には、アンモニアコントローラは、流入流量計計測値情報のみを加味して曝気風量目標値を演算する、ことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の下水処理場曝気風量制御装置において、異常判断部は、全窒素計機器本体の異常及び伝送異常等のハードウェアの故障の他に、計測値の時系列データの偏差が所定の閾値を超えたことを異常判断基準とすることを特徴とする。

上記のように構成することにより、常に良好な水質を維持しつつ、曝気風量を削減することのできる下水処理場の曝気風量制御装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第１実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、従来装置を示す図１１と同一の符号を付したものそれぞれは同一の要素を示している。ここに示した下水処理プロセスは、前述した嫌気槽１０、無酸素槽１１及び好気槽１２を含むＡ _２ ０プロセスである。また、好気槽１２の曝気装置９を制御するために、好気槽１２にアンモニア計２６が設置されている。また、図示省略の監視装置上に設けられた設定手段１０２によってアンモニア制御目標値４１Ａが設定され、曝気風量コントローラ２０２はアンモニアコントローラ４０を備えており、アンモニア計２６の計測値及び設定手段１０２のアンモニア制御目標値４１Ａが、それぞれ信号線を介して入力される。曝気風量コントローラ２０２の出力は、信号線を介して、曝気装置9に供給される。特に、本実施例では、好気槽１２の入口部分から出口部分までの距離に対して、アンモニア計２６を入口部分から７０％の地点、すなわち、出口部分から３０％の地点に設置し、かつ、設定手段１０２によりアンモニア制御目標値を２ｍｇ／Ｌとしている。なお、曝気風量コントローラ２０２は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０の機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された第１実施例の動作について、特に、従来装置と構成を異にする点を中心にして以下に説明する。下水処理場に流入する下水は流入ポンプ1により、嫌気槽１０、無酸素槽１１及び最終沈殿池１３を含む生物反応槽に供給される。好気槽１２に設置されたアンモニア計２６の計測値は、曝気風量コントローラ２０２に伝送される。曝気風量コントローラ２０２の内部に存在するアンモニアコントローラ４０は、監視装置上の設定手段１０２のアンモニア制御目標値４１Ａに従うように、例えば、ＰＩコントローラにより曝気装置９の風量目標値を演算する。本実施例による曝気風量演算式の一例を（５），（６）式に示す。

ただし、
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qair₀：曝気風量初期値(m³/min)
Kp_NH4：比例ゲイン(m⁶/g・min)
T_INH4：積分定数(min)
e _NH4 (t)：偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計計測値(mg/L)
である。

曝気装置９は（５），（６）式で演算された曝気風量目標値に従うように、曝気風量調節弁の開度調整及び曝気装置（ブロア）をインバータによって速度制御することにより曝気風量を調節する。

図２は、ある処理場における実際の流入水質データ及び流入流量データを入力として、活性汚泥モデルを利用してアンモニアコントローラによる制御シミュレーションを行った結果である。シミュレーションはアンモニア計２６の設置位置を変更させて行っており、図２には、各位置でアンモニア濃度２ｍｇ／Ｌに制御した場合の放流水最大アンモニア濃度及び平均曝気風量がプロットされている。図中の曲線Ｐから明らかなように、平均曝気風量はアンモニア計２６を後段部（図面の左側）に設置する程、小さくなるが、その一方で放流水のアンモニア濃度は曲線Ｑに示すように悪化する。平均曝気風量の削減はコスト削減につながる。処理水のアンモニア濃度はゼロに近い方が望ましいが、逆に曝気風量が大きくなる。

そこで、最大アンモニア濃度を０．５ｍｇ／Ｌに設定した場合の最適設置位置は図２より、好気槽１２の出口部分より上流方向へ３０％遡った地点であると想定されるため、このような設置位置としている。

かくして、本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第１実施例によれば、アンモニア計２６の設置位置を好気槽出口から３０％だけ遡った地点とすることにより、アンモニア計の測定精度の高い２ｍｇ／Ｌで制御することが可能となり、かつ、流入流量、流入水質が変動した場合においても放流水のアンモニア濃度をほぼゼロ（最大０．５ｍｇ／Ｌ以下）に制御することが可能となる。このように、図１１に示した従来の曝気風量制御装置に比べて、測定精度の高い濃度で制御が可能となるので、より効率的な曝気風量制御が可能となり、曝気風量削減に伴うコスト削減効果を得ることが可能となる。

なお、アンモニア濃度の制御目標値は２ｍｇ／Ｌに限定されず、測定精度が高く制御性が良好な１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌの範囲であればいずれでもよく、その際のアンモニア計設置位置は好気槽の総長さに対して出口部分から上流方向に略２５％〜３５％遡った位置であれば、上記の実施例と略同様な効果が得られる。

図３は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第２実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、第１実施例を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例は好気槽１２に溶存酸素濃度計２５とアンモニア計２６とが設置され、監視装置３０１上に、アンモニア制御目標設定器４１及びＤＯ下限設定器１３１を備え、曝気風量コントローラ２０３はアンモニアコントローラ４０とＤＯ下限コントローラ１３０とを備えている。ここで、溶存酸素濃度計２５及びアンモニア計２６は、信号線を介して、曝気風量コントローラ２０３の入力端に接続され、ＤＯ下限設定器１３１及びアンモニア制御目標設定器４１も、信号線を介して、曝気風量コントローラ２０３の入力端に接続されている。曝気風量コントローラ２０３の出力端は、信号線を介して、曝気装置9に接続されている。これら以外は、図１に示した第１実施例と同一に構成されている。なお、曝気風量コントローラ２０３は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０及びＤＯ下限コントローラ１３０の機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された本実施例の動作について、特に、図１に示した第１実施例と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。下水処理場に流入する下水は、流入ポンプ1により、生物反応槽に供給される。好気槽１２に設置されたアンモニア計２６の計測値は、曝気風量コントローラに伝送される。曝気風量コントローラ２０３を構成するアンモニアコントローラ４０は、監視装置３０１上のアンモニア制御目標設定器４１で設定されたアンモニア制御目標値に従うように、例えば、ＰＩコントローラにより曝気装置９の風量目標値を演算する。一方、溶存酸素濃度計２５の計測値が曝気風量コントローラ２０３に伝送されると、ＤＯ下限値コントローラ１３０では、溶存酸素濃度計２５の計測値が監視装置のＤＯ下限設定器１３１で設定されたＤＯ下限設定値を可能な限り下回らないように曝気風量の補正を行う。本発明による曝気風量演算式の一例を（７），（８）式に示す。

ただし、
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qair₀：曝気風量初期値(m³/min)
Kp_NH4：比例ゲイン(m⁶/g・min)
T_INH4：積分定数(min)
e _NH4 (t)：偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計計測値(mg/L)
△Ｒ_DO（ｔ）：曝気風量補正値
である。

ここで、（７）式中の曝気風量補正値（△Ｒ_DO（ｔ））の一例を（９），（１０）式に示す。

ただし、
MIN_DO(t):DO下限設定値(mg/L)
PV _DO(t)：溶存酸素濃度（DO）計計測値(mg/L)
Ｋ_DO：比例ゲイン(m⁶/g・min)
である。

曝気装置9は（７），（８）式、（９），（１０）式で演算された曝気風量目標値に従うように、曝気風量調節弁の開度調整および曝気装置（ブロア）をインバータにより速度制御することにより曝気風量を調節する。

かくして、第２実施例によれば、アンモニア計２６の計測値により曝気装置９を制御することから、図１０に示した従来の装置に比べて曝気風量を削減することが可能で、かつ、図１１に示した従来の装置に比べて、溶存酸素濃度が下限値以下にならないように制御されるので、流入水質の急激な急変動があった場合においても、安定した処理水を供給することが可能となる。

図４は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第３実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、第２実施例を示す図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例は好気槽１２に溶存酸素濃度計２５とアンモニア計２６とが設置され、監視装置３０１上に、アンモニア制御目標設定器４１及びＤＯ下限設定器１３１を備え、曝気風量コントローラ２０４はアンモニアコントローラ４０と、ＤＯコントローラ３０と、溶存酸素濃度計２５及びアンモニア計２６の各計測値に基づいて、ＤＯコントローラ３０の出力とアンモニアコントローラ４０の出力とのいずれか一方を選択して出力する切替判断部５０とを備え、この切替判断部５０の出力端が、信号線により、曝気装置９に接続されている。なお、溶存酸素濃度計２５が、信号線により、ＤＯコントローラ３０及び切替判断部５０に接続され、アンモニア計２６が、信号線により、アンモニアコントローラ４０及び切替判断部５０に接続されている。また、ＤＯ下限設定器１３１が、信号線により、ＤＯコントローラ３０に接続され、アンモニア制御目標設定器４１が、信号線により、アンモニアコントローラ４０に接続されている。これら以外は、図３に示した第２実施例と同一に構成されている。なお、曝気風量コントローラ２０４は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０、ＤＯ下限コントローラ１３０及び切替判断部５０の各機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された本実施例の動作について、特に、図１に示した第１実施例と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。下水処理場に流入する下水は流入ポンプ１により、生物反応槽に供給される。好気槽１２に設置されたアンモニア計２６の計測値は、曝気風量コントローラを構成するアンモニアコントローラ４０に伝送される。アンモニアコントローラ４０では、監視装置上のアンモニア制御目標設定器４１で設定されたアンモニア制御目標値に従うように、例えば、（１１），（１２）式に示すようなＰＩコントローラにより、曝気装置９の風量目標値を演算する。一方、溶存酸素濃度計２５の計測値が曝気風量コントローラを構成するＤＯ下限コントローラ１３０に伝送される。ＤＯ下限コントローラ１３０では、溶存酸素濃度計２５の計測値が監視装置のＤＯ下限設定器１３１により設定されたＤＯ値となるように、例えば、（１３），（１４）式に示すようなＰＩコントローラにより、曝気装置９の風量目標値を演算する。

切替判断部５０は、アンモニアコントローラ４０とＤＯコントローラ３０のいずれの風量目標値を使用するかを判断する。この切替ロジックを以下に説明する。この場合、制御切替時のチャタリングが起こらないように、増加傾向にある場合と減少傾向にある場合とで実際の切替値に差を持たせて、ヒステリシス特性に従って切替をしている。

ここで、アンモニアコントローラ４０による制御をアンモニア制御、ＤＯコントローラ３０による制御をＤＯ制御と定義すると、
[アンモニア制御and
（（PV_DO(t)≦DOmin−α_DO）and（PV_NH4(t)≦SV_NH4(t)−α_NH４））or（PV_DO(t)≦DO_最下限値−α_DO）｝]のとき、
DOminを目標値としたDO制御（SV _DO(t)＝DOmin）に切り替える。

[DO制御and
｛（PV_DO(t)≧DOmin+α_DO）or（（PV_DO(t)≧DO_最下限値+α_DO）and（PV _nh4 (t)≧SV _nh4(t)+α_NH４））｝]のとき、
アンモニア制御に切り替える。
ただし、
PV _DO (t)：DO計の計測値
SV _DO(t)：DO濃度目標値
α_DO：DOヒステリシス値
α_NH4：アンモニアヒステリシス値
DO_最下限値：DO最下限値^＊
DOmin：DO下限設定値
PV _nh4 (t)：アンモニア計の計測値
SV _nh4(t)：アンモニア濃度目標値
DO最下限値^＊を設定しているのはDO下限値を目標とした制御を実施した場合においても、1時間に数分程度は、下限値を下回る可能性があるため、そのような場合にも制御上問題が生じることがないように設定しており、これはコントローラ内部にその値を記憶させておけば良く、監視装置上から設定する必要はないものである。

図５は上記の選択関係を示したモード遷移図であり、アンモニアについては１つの閾値ＮＨ_４ｒｅｆが設定され、ＤＯについてはＤＯ下限値ＤＯ_ｍｉｎとＤＯ最下限値ＤＯ_最下限とが設定されている。アンモニアの濃度が閾値ＮＨ_４ｒｅｆを超え、かつ、ＤＯがＤＯ最下限値ＤＯ_最下限を超える場合はアンモニアコントローラ４０の出力を選択し、ＤＯがＤＯ最下限値ＤＯ_最下限をよりも低い場合にはＤＯコントローラ３０の出力を選択する。また、アンモニアの濃度が閾値ＮＨ_４ｒｅｆよりも低い場合、ＤＯがＤＯ下限値ＤＯ_ｍｉｎを超えておればアンモニアコントローラ４０の出力を選択し、ＤＯ下限値ＤＯ_ｍｉｎを超えていなければＤＯコントローラ３０の出力を選択する。

アンモニアコントローラ４０は次の（１１），（１２）式を用いて曝気風量を演算する。コントローラ切替時には切替がスムーズに行われるようトラッキング処理を行う（Qair₀に前回風量値を使用する。）。

ただし、
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qair₀：曝気風量初期値(m³/min)
Kp_NH4：比例ゲイン(m⁶/g・min)
T_INH4：積分定数(min)
e _NH4 (t)：偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計の計測値(mg/L)
である。

ＤＯコントローラ３０は次の（１３），（１４）式を用いて曝気風量を演算する。

ただし、
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qair₀：曝気風量初期値(m³/min)
Kp_DO：比例ゲイン(m⁶/g・min)
T_IDO：積分定数(min)
e _DO (t)：偏差(mg/L)
MIN_DO(t):DO下限値(mg/L)
PV _NH4(t)：DO計の計測値(mg/L)
である。

曝気装置9は（１１），（１２）式又は（１３），（１４）式で演算された曝気風量目標値に従うように、曝気風量調節弁の開度調整および曝気装置（ブロア）をインバータにより速度制御することによって曝気風量を調節する。

かくして、第３実施例によれば、アンモニア計の計測値により曝気風量を制御することから、図１０に示した従来装置に比べて曝気風量を削減することが可能で、かつ、図１１に示した従来装置に比べて、溶存酸素濃度が閾値以下にならないように制御されるので、流入水質の急激な変動があった場合においても、安定した処理水を供給することが可能となる。

また、アンモニアコントローラ、ＤＯコントローラをそれぞれ独立に調整できるので、第２実施例と比較して、比例ゲインや積分定数の制御パラメータの決定が容易である。そして、この特徴から、既存設備でＤＯコントローラのみが導入されている場合に、新たにアンモニアコントローラを導入することが容易であるという利点も得られる。

図６は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第４実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、第３実施例を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例は好気槽１２に溶存酸素濃度計２５とアンモニア計２６とが設置され、監視装置３０１上に、アンモニア制御目標設定器４１及びＤＯ下限設定器１３１を備え、曝気風量コントローラ２０５はアンモニアコントローラ４０ＡとＤＯコントローラ３０とを備えている。このうち、溶存酸素濃度計２５が、信号線により、ＤＯコントローラ３０に接続され、アンモニア計２６が、信号線により、アンモニアコントローラ４０Ａに接続されている。また、ＤＯ下限設定器１３１が、信号線により、ＤＯコントローラ３０に接続され、アンモニア制御目標設定器４１が、信号線により、アンモニアコントローラ４０Ａに接続されている。この場合、アンモニアコントローラ４０Ａの曝気風量目標値がＤＯコントローラ３０に加えられ、このＤＯコントローラ３０の出力端が、信号線により、曝気装置９に接続されている。これら以外は、図４に示した第３実施例と同一に構成されている。なお、曝気風量コントローラ２０５は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０Ａ及びＤＯコントローラ３０の機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された本実施例の動作について、特に、図４に示した第３実施例と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。下水処理場に流入する下水は流入ポンプ1により、生物反応槽に供給される。好気槽１２に設置されたアンモニア計２６の計測値は、曝気風量コントローラ２０５を構成するアンモニアコントローラ４０Ａに伝送され、アンモニアコントローラ４０Ａでは、監視装置３０１上のアンモニア制御目標設定器４１で設定されたアンモニア制御目標値に従うように、例えば、（１５），（１６）式に示すようなＰＩコントローラにより、ＤＯの制御目標値を演算する。一方、溶存酸素濃度計２５の計測値が曝気風量コントローラを構成するＤＯコントローラ３０に伝送され、ＤＯコントローラ３０では、溶存酸素濃度計２５の計測値がアンモニアコントローラ４０Ａで演算されたＤＯの制御目標値となるよう曝気装置９の風量目標値を演算する。アンモニアコントローラ４０Ａで演算されたＤＯ制御目標値がＤＯ下限値設定器１３０の値より低い場合は、ＤＯ下限設定器１３１に設定されたＤＯとなるように曝気装置９の風量目標値が演算される。

すなわち、アンモニアコントローラ４０Ａは次の（１５），（１６）式でＤＯ制御目標値を演算し、その値がＤＯ下限設定器１３１の設定値より大きいとき、ＤＯコントローラ３０は（１７），（１８）式に従って曝気量目標値を演算し、アンモニアコントローラ４０Ａで演算されたＤＯ制御目標値がＤＯ下限設定器１３１で設定されたＤＯ下限値より小さい場合には（１９），（２０）式に従って曝気風量目標値を演算する。

ただし、
SV_DO(t)：DO制御目標値(mg/L)
DO₀：DO初期設定値（mg/L)
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qair₀：曝気風量初期値(m³/min)
Kp _NH4DO：アンモニアコントローラの比例ゲイン(-)
T_INH4DO：アンモニアコントローラの積分定数(min)
e_NH4(t)：アンモニア偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計計測値(mg/L)
Kp_DO：DOコントローラの比例ゲイン(m⁶/g・min)
T_IDO：DOコントローラの積分定数(min)
e _DO (t)：DO偏差(mg/L)
MIN_DO(t):DO下限値(mg/L)
PV _NH4(t)：DO計計測値(mg/L)
である。

かくして、第４実施例によれば、アンモニア計の計測値により曝気風量を制御することから、図１０に示した従来装置に比べて曝気風量を削減することが可能で、かつ、図１１に示した従来装置に比べて、溶存酸素濃度が閾値以下にならないように制御されるので、流入水質の急変動があった場合においても、安定した処理水を供給することが可能となる。

また、第３実施例と比較した場合、制御モードの切替がないため、チャタリングなどの心配がなく安定した制御を行える利点がある。

図７は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第５実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、第３実施例を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例は最初沈殿地２と嫌気槽１０との間に、流入流量計３及び流入全窒素計４を設け、これらを信号線によって、曝気風量コントローラ２０６を構成するアンモニアコントローラ４０Ｂに接続することによって、アンモニアコントローラ４０Ｂが流入流量及び流入全窒素をも参照して曝気風量目標値を演算するように構成した点が図４と構成を異にし、これ以外は全て図４と同一に構成されている。なお、曝気風量コントローラ２０６は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０Ｂ、ＤＯコントローラ３０及び切替判断部５０の各機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された第５実施例の動作について、特に、図４に示す第３実施例と構成を異にする部分について説明することとする。アンモニアコントローラ４０Ｂは、最初沈殿地２の出口配管に取り付けられた流入流量計３と流入全窒素計４の情報を取り入れ、下記の（２１），（２２）式のような演算により曝気風量目標値を演算する。

ただし、
Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qin(t)：時刻ｔにおける流入流量計の計測値(m³/min)
S_T-Nin（t)：流入全窒素計の計測値（mg/L)
c₀：窒素負荷率初期値(L/mg)
Kp_NH4：比例ゲイン(L²/mg²)
T_INH4：積分定数(min)
e _NH4 (t)：偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計の計測値(mg/L)
である。

アンモニアコントローラ４０Ｂが上記（１０），（１１）式に代えて（２１），（２２）式により曝気風量目標値を演算する以外は、第３実施例と同様の動作を行う。

かくして、図７に示した第５実施例によれば、流入流量及び流入全窒素濃度の情報を取り入れて曝気風量目標値を演算するため、流入流量、流入水質の負荷変動に迅速に対応できることとなり、アンモニア制御の目標値に対する追従性が高められる。これにより、安定的に良好な水質を維持することが可能となる。

図８は本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第６実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図であり、図中、第５実施例を示す図７と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例は流入全窒素計４の出力信号に基づいてその機器の異常を判断したり、流入全窒素計４に測定対象下水が導水されないことを判断したりする全窒素計異常判断部４ｊを設け、この全窒素計異常判断部４ｊが異常信号を出力した場合には、曝気風量コントローラ２０６を構成するアンモニアコントローラ４０Ｃが流入全窒素計４の計測値を使用しないで、正常時とは異なる演算式によって曝気流量目標値を演算するようにした点が図７に示す第５実施例と構成を異にし、これ以外は第５実施例と全く同様に構成されている。なお、曝気風量コントローラ２０７は、マイクロセッサ等の信号処理装置を内蔵し、アンモニアコントローラ４０Ｃ及びＤＯコントローラ３０の機能をソフトウェアで実現することができる。

上記のように構成された第６実施例の動作について、特に、図７に示す第５実施例と構成を異にする部分を中心にして以下に説明することとする。アンモニアコントローラ４０Ｃは、最初沈殿地２の出口配管に取り付けられた流入流量計３と流入全窒素計４の情報を取り入れ、前述した（２１），（２２）式のような演算を行って曝気風量目標値を演算する。これに対して、全窒素計異常判断部４ｊにより流入全窒素計４が異常と判断された場合には、流入全窒素計４の計測値を使用せずに（２３），（２４）式に示す演算を行って曝気風量目標値を演算する。

Qair (t)：時刻ｔにおける曝気風量目標値(m³/min)
Qin(t)：時刻ｔにおける流入流量計計測値(m³/min)
ｄ₀：空気倍率初期値(-）
Kp_NH4：比例ゲイン(L/mg)
T_INH4：積分定数(min)
e _NH4 (t)：偏差(mg/L)
SV_NH4(t):アンモニア制御目標値(mg/L)
PV _NH4(t)：アンモニア計計測値(mg/L)
である。

また、全窒素計異常判断部４ｊでは、流入全窒素計４の機器本体の故障及び計測値の伝送異常など通常の故障のみならず、下記（２５），（２６）式に示すように全窒素計計測値の時系列データの偏差を監視し、偏差がある閾値以上である場合には異常と判断する。

ただし、
S_T-Nin（t)：時刻ｔにおける流入全窒素計計測値（mg/L)
S_T-Nin（t-△ｔ）：時刻ｔ-△tにおける流入全窒素計計測値
S_T-Ninmax：全窒素計偏差異常判定値
である。

かくして、第６実施例によれば、流入全窒素計４の異常時には流入流量情報のみを使用した（２３），（２４）式に自動的に切り替わるので、センサ異常による制御異常になることがなく、また、アンモニア計２６のみを使用したコントローラよりも追従性高く制御を行うことが可能となる。

また、サンプリングポンプにより流入全窒素計４に下水を導水し、計測するタイプの全窒素計においては、配管上に設置されたろ過機の目詰まり等により、対象水を導水できない場合がある。このような場合、計測値が急激に低下するという現象が見られるが、計測器側では機器異常を判断できない場合がある。このような場合に計測値の偏差を監視することにより、この問題を解消している。

他の実施例

上述した各実施例は曝気流量制御対象のプロセスがＡ _２ ０プロセスである場合について説明したが、本発明はこれに適用を限定されず、例えば、標準活性汚泥プロセス、循環式硝化脱窒プロセス、Ａ０プロセス、担体投入型プロセス、ステップ流入プロセスなど曝気を行う下水処理プロセスであればどのようなプロセスに適用することができる。

また、図７に示した第５実施例又は図８に示した第６実施例においては、流入流量計３及び流入全窒素計４を最初沈殿地２の出口配管に設置したが、本発明はこの位置に限らず、最初沈殿地２の内部であっても、最初沈殿地２の入口配管であっても、処理系列に流入する流入流量及び全窒素を計測し得る場所であれば、いずれの位置でもよい。

さらにまた、上記の各実施例ではアンモニアコントローラやＤＯコントローラとして、（５）式〜（２４）式で表される位置型のＰＩコントローラを用いたが、本発明はこれに限定されず、速度型であってもよいし、ＰＩＤコントローラでもよく、制御目標値に追従するように働くコントローラであれば、どのようなものでもよい。

また、第１実施例において説明したように、アンモニア計を好気槽１２の水の流れ方向で見て、出口部分から上流方向に略２５〜３５％遡った位置に設置し、かつ、アンモニア性窒素濃度の制御目標値を略１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌに設定する技術を上記第２乃至第６実施例に適用することによって、常に良好な水質を維持しつつ、曝気風量を削減するという効果をさらに確実なものとすることができる。

本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第１実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 第１実施例の動作を説明するために、好気槽に設置されるアンモニア計の流水方向の設置位置と、アンモニア濃度及び平均曝気風量との関係を示した線図。 本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第２実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第３実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 第３実施例の動作を説明するために、アンモニア濃度と溶存酸素濃度のいずれを制御量とするかの境界を示すモード遷移図。 本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第４実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第５実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 本発明に係る下水処理場の曝気風量制御装置の第６実施例の構成を、その適用対象と併せて示したブロック図。 本発明を適用する下水処理場の１つの系列の処理系統図。 図９に示した下水処理場の従来の曝気風量制御装置の構成を、その下水処理系統と併せて示したブロック図。 図９に示した下水処理場の従来のもう１つの曝気風量制御装置の構成を、その下水処理系統と併せて示したブロック図。

符号の説明

１ 流入ポンプ
２ 最初沈殿池
３ 流入流量計
４ 流入全窒素計
９ 曝気装置
１０ 嫌気槽
１１ 無酸素槽
１２ 好気槽
１３ 最終沈殿池
１４ 循環ポンプ
１５ 返送ポンプ
１７ 余剰ポンプ
１８ 初沈引抜ポンプ
２５ 溶存酸素濃度計
２６ アンモニア計
４０，４０Ａ〜４０Ｃ アンモニアコントローラ、
３０ ＤＯコントローラ
４１ アンモニア制御目標設定器
５０ 切替判断部
１０１，１０２ 設定手段
１３０ ＤＯ下限コントローラ
１３１ ＤＯ下限設定器
２０１〜２０７ 曝気風量コントローラ
３０１ 監視装置

Claims (8)

1. 好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って前記好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、
   前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、
   前記好気槽の放流水のアンモニア性窒素濃度目標値を設定するアンモニア制御目標設定手段と、
   計測されたアンモニア性窒素濃度が設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算するアンモニアコントローラと、
   を備え、前記アンモニア計を前記好気槽の総長さに対して、出口部分から上流方向に２５〜３５％遡った位置に設置し、かつ、アンモニア性窒素濃度の制御目標値を１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌに設定した、ことを特徴とする下水処理場の曝気流量制御装置。
2. 好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って前記好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、
   前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、
   前記好気槽内の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計と、
   前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度目標値を設定するアンモニア制御目標設定手段と、
   前記好気槽内の溶存酸素濃度の下限値を設定する溶存酸素濃度下限設定手段と、
   計測されたアンモニア性窒素濃度が設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算するアンモニアコントローラ、及び、計測された溶存酸素濃度が設定された溶存酸素濃度の下限値以下になった場合、前記の曝気風量目標値を補正する溶存酸素下限コントローラを含む曝気風量コントローラと、
   を備えたことを特徴とする下水処理場の曝気風量制御装置。
3. 前記曝気風量コントローラは、前記アンモニアコントローラと
   計測された溶存酸素濃度が設定された溶存酸素濃度下限値に近づくよう曝気風量目標値を演算する溶存酸素コントローラとを含み、
   計測された溶存酸素濃度とアンモニア性窒素濃度の値と設定された溶存酸素濃度下限値、アンモニア性窒素濃度目標値に基づいて、アンモニアコントローラと溶存酸素濃度コントローラの切替を行うことを特徴とする請求項２に記載の下水処理場の曝気風量制御装置。
4. 好気槽を有する生物反応槽により水処理を行うに当たり、曝気風量目標値に従って前記好気槽に空気を供給する曝気装置を備えた下水処理場の曝気風量制御装置において、
   前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、
   前記好気槽内の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計と、
   前記好気槽内のアンモニア性窒素濃度目標値を設定するアンモニア制御目標設定手段と、
   前記好気槽内の溶存酸素濃度の下限値を設定する溶存酸素濃度下限設定手段と、
   計測されたアンモニア性窒素濃度が設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくよう溶存酸素濃度目標値を演算するアンモニアコントローラ、及び、計測された溶存酸素濃度が演算された溶存酸素濃度目標値に近づくよう曝気風量目標値を演算すると共に、アンモニアコントローラにより演算された溶存酸素濃度目標値が設定された溶存酸素濃度の下限値以下となった場合は、溶存酸素濃度の下限値を溶存酸素濃度目標値として曝気風量目標値を演算する溶存酸素コントローラを含む曝気風量コントローラと、
   を備えたことを特徴とする下水処理場の曝気風量制御装置。
5. 前記アンモニア計を前記好気槽の水の流れ方向で見て、終端から２５〜３５％上流に遡った位置に設置し、かつ、アンモニア性窒素濃度の制御目標値を１ｍｇ／Ｌ〜３ｍｇ／Ｌに設定した、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の下水処理場の曝気風量制御装置。
6. 前記生物反応槽の流入水量を計測する流入流量計と、
   流入水の全窒素濃度を計測する流入全窒素計と、
   を備え、前記アンモニアコントローラは、それぞれ計測された流入水量及び全窒素濃度をも加味して曝気風量目標値を演算する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の下水処理場の曝気風量制御装置。
7. 前記流入全窒素計の異常を判断する異常判断部を備え、異常と判断された場合には、前記アンモニアコントローラは、流入流量計計測値情報のみを加味して曝気風量目標値を演算する、ことを特徴とする請求項６に記載の下水処理場の曝気風量制御装置。
8. 前記異常判断部は、全窒素計機器本体の異常及び伝送異常等のハードウェアの故障の他に、計測値の時系列データの偏差が所定の閾値を超えたことを異常判断基準とすることを特徴とする請求項７に記載の下水処理場曝気風量制御装置。

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